trabalho de conclus~ao de curso um sistema embarcado … · 2020. 1. 14. · resumo este trabalho...

UNIVERSIDADE FEDERAL DO SUL E SUDESTE DO PARÁ

INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS E ENGENHARIAS

Faculdade de Computação e Engenharia Elétrica

Bacharelado em Engenharia da Computação

Trabalho de Conclusão de Curso

UM SISTEMA EMBARCADO PARA REGISTRO DE FLUXO DE

PESSOAS:

Uma aplicação à biblioteca do Campus II da UNIFESSPA

Flávio da Costa Salgado

Marabá-PA

2019



PESSOAS:


Trabalho de Conclusão de Curso, apresentadoà Universidade Federal do Sul e Sudeste doPará, como parte dos requisitos necessáriospara obtenção do T́ıtulo de Bacharel emEngenharia da Computação.

Orientador:Prof. Dr. Elton Rafael Alves

Marabá-PA

2019

Dados Internacionais de Catalogação-na-Publicação (CIP) Biblioteca Setorial Campus do Tauarizinho da Unifesspa

Salgado, Flávio da Costa

Um sistema embarcado para registro de fluxo de pessoas: uma aplicação à biblioteca do Campus II da UNIFESSPA / Flávio da Costa Salgado ; orientador, Elton Rafael Alves. — Marabá : [s. n.], 2019. Trabalho de Conclusão de Curso (graduação) - Universidade Federal do Sul e Sudeste do Pará, Instituto de Geociências e Engenharias, Faculdade de Engenharia da Computação, Marabá, 2019. 1. Sistemas embarcados (Computadores). 2. Fluxo de dados (Computadores). 3. Banco de dados. 4. Estatística - Métodos gráficos. I. Alves, Elton Rafael, orient. II. Universidade Federal do Sul e Sudeste do Pará. III. Título.

CDD: 22. ed.: 005.43

Elaborada por Alessandra Helena da Mata Nunes - CRB2/586



PESSOAS:


Trabalho de Conclusão de Curso, apresentadoà Universidade Federal do Sul e Sudeste doPará, como parte dos requisitos necessáriospara obtenção do T́ıtulo de Bacharel emEngenharia da Computação.

Marabá: 04 de Julho de 2019

BANCA QUALIFICADORA:

Prof. Dr. Elton Rafael Alves(Orientador - FACEEL/UNIFESSPA)

Prof. Dr. José Carlos da Silva(Membro da Banca - FACEEL/UNIFESSPA)

Prof. Me. Fernando de Gusmão Coutinho(Membro da Banca - FACEEL/UNIFESSPA)

Marabá-PA

2019

A toda minha famı́lia, com muito amor.

AGRADECIMENTOS

Como cristão, agradeço primeiramente à Deus.

A minha mãe Maria Leila Salgado Costa, que sempre esteve ao meu lado, acre-

ditando no meu potencial para engenharia, me trazendo sempre bons conselhos, me

incentivando a nunca desistir dos meus objetivos trilhados, ao apoio financeiro dado, e

também me ajudando superar os momentos mais dif́ıceis, momentos de cansaço, estresses,

e sempre me dizendo que a fé nos faz alcançar tudo que desejamos.

Ao meu pai Euŕıpedes da Costa Fonseca, por ter me ensinado que a palavra de

um homem honesto vale mais que um documento; pelo enorme e important́ıssimo apoio

financeiro dado, por não desistir de mim e acreditar que uma dia eu conseguiria alcançar

meus objetivos sonhados, e sempre me dizer que a formação superior é algo indispensável

nos dias atuais da sociedade brasileira.

Ao professor Dr. Elton Rafael Alves por ter acreditado em mim; pela sua contribui-

ção em minha formação em diversas disciplinas que ministrou, por seu compartilhamento

de experiências de Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC) em Engenharia da Computação

que contribúıram fortemente no desenvolvimento deste Pré-Projeto de TCC, e pela sua

paciência em sempre dar atenção e me ajudar dentro do posśıvel, com humildade, respeito

e educação.

A todos do Laboratório de Computação Cient́ıfica (LCC) da Universidade Federal

do Sul e Sudeste do Pará (UNIFESSPA), ao seu coordenador, Analista de Sistemas

Rogério Rômulo da Silva que compartilhou conhecimentos de grande importância na

minha formação e aos colegas de estágio que sempre estiveram dispostos a contribuir com

conhecimento.

A todos os professores da Faculdade de Computação e Engenharia Elétrica (FA-

CEEL) que contribúıram de forma direta ou indireta na minha formação, com destaques a

professora Mestre Aline Farias Gomes de Sousa e ao professor Mestre Cláudio de Castro

Coutinho que foram meus coordenadores durante o peŕıodo que passei responsável pelos

laboratórios de informática da faculdade.

Aos meus familiares e amigos que na forma direta ou indireta me ajudaram e

deram apoio quando necessário.

A mente que se abre a uma nova

ideia jamais voltará a seu tamanho

original.

(Albert Einstein, 1879 - 1955)

RESUMO

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema embarcado que possibilita oregistro de fluxo de entrada e sáıda de pessoas. O sistema disponibiliza ao usuário finala possibilidade de visualizar as informações gravadas em um banco de dados, através deum software desktop desenvolvido. Tem-se como adoção a plataforma BlackBoard UNOR3, fabricada pela empresa brasileira Robocore, além de três tipos diferentes de sensores:ultrassônico, infravermelho(do tipo ativo) e PIR(Passive Infrared Sensor). Estes sensoresforam comparados entre si para justificar-se a escolha do sensor no sistema embarcadofinal. Observou-se através dos resultados obtidos que o sensor mais lento em tempo dedesempenho, o PIR, mostrou-se o mais adequado. A validação do sistema foi realizada nabiblioteca do Campus II da UNIFESSPA em Marabá-PA. Além disso o sistema desktopdesenvolvido, possibilitará ao usuário final, gerar gráficos estat́ısticos que permitam aousuário final realizar a análise dos dados como, dias e horários com maior e menor fluxode pessoas.

Palavras-chave: Sistema Embarcado. Sensores. Fluxo de Pessoas. Banco de Dados.Software Desktop. Gráficos Estat́ısticos.

ABSTRACT

This paper presents the development of an embedded system that enables the registrationof inflow and outflow of people. The system provides the end user with the possibility toview the information recorded in a database through a developed desktop software. Theadoption is the platform BlackBoard UNO R3, manufactured by the Brazilian companyRobocore, and three different types of sensors: ultrasonic, infrared (active type) andPIR ( textit Passive Infrared Sensor). These sensors were compared with each other tojustify the choice of sensor in the final embedded system. It was observed from the resultsobtained that the slowest sensor in performance time, the PIR, was the most appropriate.The validation of the system was performed at the UNIFESSPA Campus II library inMarabá-PA. In addition, the developed desktop system will enable the end user to generatestatistical graphs that allow the end user to perform data analysis such as days and timeswith larger and smaller flow of people..

Keywords: Embedded system. Sensors. Flow of People. Database. Desktop Software.Statistical Graphs.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – Projeto de Contagem por Câmera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Figura 2 – Projeto com utilização do microcontrolador PIC . . . . . . . . . . . . . 18

Figura 3 – Projeto com utilização do Kit LaunchPad MSP430 . . . . . . . . . . . 18

Figura 4 – Projeto com utilização do Raspberry Pi . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Figura 5 – Placa BlackBoard UNO R3 da Robocore Brasil . . . . . . . . . . . . . 20

Figura 6 – Funcionamento de um sensor PIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Figura 7 – Sensor PIR DYP-ME003 utilizado neste projeto . . . . . . . . . . . . . 23

Figura 8 – Sensor Infravermelho utilizado neste projeto . . . . . . . . . . . . . . . 24

Figura 9 – Funcionamento básico de um sensor IR . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Figura 10 – Funcionamento básico de um sensor ultrassônico . . . . . . . . . . . . . 25

Figura 11 – Sensor de Distância Ultrassônico HC-SR04 utilizado neste projeto . . . 25

Figura 12 – Módulo RTC DS1307 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Figura 13 – Módulo Bluetooh HC-05 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Figura 14 – Sofware PyQt5 Designer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Figura 15 – Caracteŕısticas do MySQL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Figura 16 – Esquema para sensor PIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Figura 17 – Esquema para sensor IR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Figura 18 – Esquema para sensor Ultrassônico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Figura 19 – Diagrama de Caso de Uso do sistema de registro de fluxo . . . . . . . . 33

Figura 20 – Modelos propostos de configuração estratégica sensorial para registro

de fluxo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Figura 21 – Visão interna da biblioteca, vista por quem esta entrando . . . . . . . . 34

Figura 22 – Sistema Embarcado com Par de Sensores PIR . . . . . . . . . . . . . . 36

Figura 23 – Vista do local onde foi instalado o sistema embarcado contendo sensor

PIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Figura 24 – Sistema Embarcado com sensores Ultrassônicos . . . . . . . . . . . . . 38

Figura 25 – Vista da instalação do sistema embarcado contendo sensor Ultrassônico 39

Figura 26 – Visão interna do embarcado que adotou o sensor IR . . . . . . . . . . . 39

Figura 27 – Vista da instalação do sistema embarcado contendo sensor IR . . . . . 40

Figura 28 – Anteparo preto, resolvendo a problemática de reflexão do infravermelho 40

Figura 29 – Janela principal do software de usuário final . . . . . . . . . . . . . . . 41

Figura 30 – Janela de visualização de registros, do software de usuário final . . . . 42

Figura 31 – Janela para gerar gráficos, por peŕıodo de dias . . . . . . . . . . . . . . 42

Figura 32 – Gráfico gerado por peŕıodo de dias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Figura 33 – Janela para gerar gráficos, por horários de um dia . . . . . . . . . . . . 44

Figura 34 – Gráfico gerado por horários de um dia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Figura 35 – Gráfico da diferença entre entradas e sáıdas para o sistema embarcado

contendo sensor Ultrassônico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46


contendo sensor PIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47


contendo sensor IR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

TCC Trabalho de Conclusão do Curso

NBR Norma Brasileira

LDR Light Dependent Resistor

PIR Passive Infrared Sensor

USP Universidade de São Paulo

PC Personal Computer

USB Universal Serial Bus

UTFPR Universidade Tecnológica Federal do Paraná

CPU Central Processing Unit

PIC Peripherical Interface Controller

FTDI Future Technology Devices International

SQL Structured Query Language

IR Infrared Radiation

CI Circuito Integrado

LED Light Emitting Diod

2D Two Dimensional

GND Graduated Neutral Density Filter

UNIFESSPA Universidade Federal do Sul e Sudeste do Pará

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.1.1 Objetivos Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.1.2 Objetivos Espećıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2 Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.3 Trabalhos Correlatos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.4 Organização do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2 METODOLOGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.1 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.1.1 Plataforma de Computação Embarcada . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.1.1.1 BlackBoard UNO R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.1.2 Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.1.2.1 Sensor de Presença/Movimento PIR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.1.2.2 Sensor de Obstáculo Infravermelho IR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.1.2.3 Sensor Ultrassônico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.1.2.4 Módulo RTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.1.2.5 Módulo Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.2 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2.1 Linguagem Python . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2.2 Framework PyQt5 e PyQt5 Designer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2.3 Framework Pandas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.2.4 Framework Matplotlib . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.2.5 Banco de Dados MySQL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.3 Esquemas Eletrônicos do Protótipo . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.4 Funcionamento Geral do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.5 Validação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3 RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.1 Resultados do Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.1.1 Sistema Embarcado com Par de Sensores PIR . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.1.2 Sistema Embarcado com Par de Sensores Ultrassônicos . . . . . . . . . 37

3.1.3 Sistema Embarcado com Par de Sensores IR . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.2 Resultados do Software pra Usuário Final . . . . . . . . . . . . . 40

3.3 Tempo de Desempenho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.4 Diferença Entre Entradas e Sáıdas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4 CONCLUSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

14

1 INTRODUÇÃO

“Na atualidade, a maioria das tarefas de contagens de pessoas é realizada por

microprocessadores e/ou microcontroladores que através de um programa apropriado,

mantém a contagem dentro de sua memória de dados” (GRIZ; LUKACHESKI, 2013).

“Empresas que utilizam a tecnologia de forma inteligente estão sempre nafrente das concorrentes e conseguem ampliar resultados, aproveitando da melhorforma o potencial de seu negócio. O conhecimento do fluxo de pessoas emestabelecimentos é um dos conhecimentos fundamentais para melhorar a gestão,construir uma boa experiência de compra para o cliente final e aumento doslucros. Com este tipo de dado, a empresa pode tirar diversas conclusões sobre omovimento da sua loja e planejar ações imediatas” (OGGIAM, 2015).

“Conhecendo o fluxo de clientes é posśıvel, por exemplo, preparar sua equipe

de vendas de acordo com o comportamento de entrada ao longo do dia e programar os

melhores horários de folga” (OGGIAM, 2015).

“Em escolas, o controle do fluxo de alunos é fundamental para que não ocorramexcesso de alunos na porta ou na hora de entrar e sair do transporte escolar. Háescolas que separam os horários de entrada e sáıda dos alunos por turmas, paradiminuir o tráfego de estudantes em um mesmo horário” (WPENSAR, 2018).

“Em bibliotecas, um sistema de controle de fluxo de pessoas permitem minimizaro tempo gasto atualmente por funcionários para executar essa tarefa, podendoos dados obtidos serem armazenados para que possam ser visualizados ao finalde um peŕıodo, dia, semana ou mês” (GRIZ; LUKACHESKI, 2013).

Diversos são o benef́ıcios proporcionados pela contagem de fluxo de pessoas

em diversos ambientes, como melhorar a gestão de estabelecimentos visando melhores

lucros, realizar planejamentos de acordo com os dados coletados; em escolas reduzir

congestionamento na sáıda de alunos. Assim, facilitar o trabalho de quem possui esse tipo

de tecnologia implantado.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema embarcado, medi-

ante a comparação entre três diferentes sensores que possibilitam registro de fluxo de

pessoas. A validação deste trabalho foi realizada no Biblioteca do Campus 2 da UNIFE-

ESPA(Universidade Federal do Sul e Sudeste do Pará).

1.1 Objetivos

1.1.1 Objetivos Geral

Desenvolver um Sistema Embarcado de sensoriamento com uso da plataforma

de computação embarcada BlackBoard, com a finalidade de realizar registro de fluxo

bidirecional de pessoas e informar os dados ao usuário final através de software desktop.

15

1.1.2 Objetivos Espećıficos

• Utilizar a plataforma de computação embarcada BlackBoard UNO R3 como controla-dor do sensoriamento. Com testes para averiguar três tipos de sensores: ultrassônico,

infravermelho e PIR(Passive Infrared Sensor - Sensor Infravermelho Passivo). Para

escolha do sensor que melhor se enquadra nessa proposta.

• Desenvolver o firmware do sistema embarcado capaz de detectar o acionamento dossensores e gravar dados no Banco de Dados, como horário do acionamento, data, e

direção(entrada/sáıda).

• Utilizar pares dos sensores anteriormente citados de forma que possibilite detectar osentido do fluxo.

• Projetar um sistema embarcado capaz de ler o intervalo de tempo de acionamentodo sensor e a volta ao estado de espera, gravando no banco de dados. Tal dado

será utilizado para checar qual sensor é o melhor para o caso aplicado, baseado em

desempenho de tempo.

• Desenvolver um software para usuário final, no caso para os servidores/funcionáriosda biblioteca, que possibilite visualizar os dados fornecidos pelo embarcado, podendo

gerar gráficos do fluxo de pessoas.

1.2 Justificativa

Um sistema contador de fluxo permite, por exemplo, saber quais os dias e horários

em que há mais circulação nos corredores do shopping ou até mesmo dentro de uma loja.

De posse desses dados, é posśıvel redesenhar todo o seu planejamento estratégico ou mesmo

parte dele, conforme a necessidade do momento (ANALYTICS, 2018).

Visualizar a distribuição do fluxo de clientes permite a aplicação de soluções das

mais diversas frentes. Os dados extráıdos oferecem insights(clareza súbita da mente, no

intelecto de um indiv́ıduo) realmente relevantes para o planejamento do seu estabelecimento,

informando qual é o comportamento do público e quais são seus hábitos de consumo.

Dessa forma, é posśıvel abastecer com dados cruciais as mais diversas áreas do negócio,

permitindo a adaptação e otimização da estrutura para melhor receber os visitantes e,

logo, converte-los em consumidores (ANALYTICS, 2018).

O marketing, os recursos humanos, o setor comercial, a operação e a expansão

podem trabalhar em total harmonia a partir destas informações, o que resultará em retorno

financeiro mais eficiente e um ambiente muito mais elaborado para atender adequadamente

todo o fluxo de pessoas, garantindo uma excelente experiência de compra e de lazer

(ANALYTICS, 2018).

16

Segundo Analytics (2018), empresa que trabalha no ramo de tráfego de consumi-

dores, tem o registro de 25 milhões de pessoas que passaram por seus sensores no ano de

2018, tendo 50 shoppping centers como clientes. A empresa afirma que dados de fluxo de

pessoas é algo que pode fazer a diferença na organização de um ramo negócios e trazer

grandes efeitos, tanto no aumento de lucro como na eficiência de planejamento.

Para bibliotecas públicas, que será o local de validação deste projeto, a intenção

primordial é proporcionar para a coordenação da biblioteca, acesso a dados relevantes

para seus planejamentos internos, tendo uma estimativa aproximada de quantas pessoas

frequentam o local por dia, além de cumprir exigência do MEC.

“Uma das exigências do MEC é que todas as bibliotecas públicas façam umrelatório anual do fluxo de usuários que circulam pelas mesmas, por peŕıodo(matutino, vespertino e noturno), diariamente. Esses dados são utilizados paraanalisar a importância que a biblioteca tem na instituição de ensino, a frequên-cia com que é utilizada e se é conveniente mantê-la em funcionamento. AUTFPR(Universidade Tecnológica Federal do Paraná) campus Medianeira enviarelatórios mensais a sua sede em Curitiba” (GRIZ; LUKACHESKI, 2013).

1.3 Trabalhos Correlatos

Alguns trabalhos já foram desenvolvidos sobre essa temática, como o trabalho

de Gonçalves (2005) que apresenta um sistema de baixo custo para estimação do fluxo

multidirecional de pedestres, em ambientes abertos e não restritivos, baseado na sequência

de imagens digitais, capturadas por uma única câmera v́ıdeo tipo WEBCAM. A câmera

é colocada na vertical do espaço a ser monitorado, e conectada a um PC através da

porta USB. A metodologia tem como base o trabalho desenvolvido por Pádua (2002) e

utiliza o algoritmo proposto em Lucas e Kanade (1981) que computa o fluxo óptico das

imagens capturadas pela câmera. Uma análise espaço-temporal desse fluxo é realizada

para determinar o fluxo multidirecional dos pedestres (GONÇALVES, 2005).

Pode-se notar pela figura 1 que Gonçalves (2005) projetou um sistema que trabalha

com processamento de imagens para realizar a contagem de fluxo, além de estimar a direção,

ao contrário do proposto neste trabalho que utiliza sensores. O trabalho de Gonçalves (2005)

realizou uma estimação de fluxo bastante eficiente com a utilização de uma WEBCAM

como dispositivo de monitoramento empregado.

17

Figura 1 – Projeto de Contagem por Câmera

Fonte: Gonçalves (2005)

No trabalho de Griz e Lukacheski (2013), adota-se o PIC 18F4550 em seu pro-

jeto, contador digital de fluxo de pessoas; microcontrolador capaz de receber, processar,

armazenar e transmitir informações processadas pela sua CPU para um sistema externo.

No contador digital essas informações de entrada são transmitidas para o PIC através de

um sensor de barreira(linha/feixe de luz viśıvel ou não viśıvel que quanto é interrompido

provoca o acionamento) externo que emite pulsos conforme a barreira é interrompida. O

PIC por sua vez executa um programa desenvolvido em linguagem C apropriado ao caso,

compilado com o MPLAB C18. Os sinais respostas do PIC são transmitidos para o display

através do circuito da placa em que o display apenas emite o sinal de luz conforme a

resposta enviada pela porta de sáıda do Microcontrolador PIC. No display é mostrado o

valor da contagem (GRIZ; LUKACHESKI, 2013).

Atualmente, o equipamento de Griz e Lukacheski (2013) ilustrado na figura 2, tem

registrado uma média de 1000 alunos que circulam diariamente. Como o equipamento não

contabiliza as entradas e sáıdas separadamente (bidirecional), para se obter o valor real de

alunos que circularam por peŕıodo ou dia, o valor contabilizado é dividido por 2 (GRIZ;

LUKACHESKI, 2013).

18

Figura 2 – Projeto com utilização do microcontrolador PIC

Fonte: Griz e Lukacheski (2013)

O trabalho desenvolvido por Junior (2016) apresenta a construção de um protótipo

com o kit de desenvolvimento LaunchPad MSP430 da Texas Instruments, figura 3, para

contar o número de véıculos em um cruzamento entre duas vias no trânsito urbano. O

protótipo inclui um circuito que utiliza um sensor indutivo para a detecção dos véıculos

e um programa (para coleta, processamento e apresentação dos dados) desenvolvido em

um sistema embarcado. A visualização dos dados utiliza a tela do computador do usuário

através da comunicação via USB com o sistema embarcado (JUNIOR, 2016).

Figura 3 – Projeto com utilização do Kit LaunchPad MSP430

Fonte: Junior (2016)

No trabalho apresentado por Cintron, Courtier e DeLooper (2017), conforme

figura 4, a biblioteca da The Hudson County Community College (HCCC), Faculdade

Comunitária do Condado de Hudson, localizada no estado de Nova Jersey nos EUA,

desenvolveu e testou um sistema de contagem de pessoas baseados em Raspberry Pi

(Publicado no Jornal Code 4 Lib). Os sensores utilizados foram, PIR, Ultrassônico e LDR

com aplicação de laser sobre. O projeto não realizava a avaliação se uma pessoa estava

entrando ou saindo da biblioteca. O custo desse projeto ficou elevado, pois foi utilizado três

Raspberry ao mesmo tempo, cada um com um tipo de sensor, no final do dia a contagem

registrada era dividida por dois e assim obtendo o aproximado número de pessoas que

19

frequentaram o estabelecimento no dia, o sensor que ficasse com o maior número era

considerado o melhor para o caso.

Figura 4 – Projeto com utilização do Raspberry Pi

Fonte: Cintron, Courtier e DeLooper (2017)

1.4 Organização do Trabalho

Este trabalho se encontra com uma estrutura formada por quatro caṕıtulos. No

caṕıtulo 1 é apresentado a introdução, onde contempla-se uma breve abordagem da

problemática envolvendo registradores de fluxo de pessoas. Apresentação do objetivo geral

do projeto em forma resumida e direta. São apresentados os projetos espećıficos pontuando

com mais detalhes o projeto desde a aplicação e funcionamento. Também apresenta a

justificativa pautada em citações de empresas do ramo e autores de trabalhos acadêmicos.

Além, de apresentações de trabalhos correlatos a ńıvel nacional e internacional.

No caṕıtulo 2 apresenta-se uma base teórica que contempla o hardware, incluindo

os sensores a serem utilizados, como seus prinćıpios de funcionamento e especificações

técnicas. Passando por uma abordagem da parte de software envolvida, apresentando a

linguagem de programação, os frameworks envolvidos e o banco de dado utilizado. Os

esquemas eletrônicos dos protótipos são demostrados em forma ilustrativa seguido das

devidas explicações. Tem-se a demonstração do funcionamento do sistema como um todo

em diagrama de caso de uso. O local de validação escolhido é apresentado, envolvendo

imagens e os argumentos textuais pertinentes.

No caṕıtulo 3 apresenta - se todos os esquemas eletrônicos do projeto proposto, os

resultados de como ficou o projeto na prática, assim como o local da instalação. Também

tem-se os resultados referentes ao sistema desktop de usuário final, com suas interfaces e

geração de gráficos e os resultados que comparam os sensores abordados.

Já o caṕıtulo 4, na conclusão, é descrito os desafios que foram enfrentados e

discutindo sobre o par de sensores com melhor resultado.

20

2 METODOLOGIA

Neste caṕıtulo será apresentado a metodologia aplicada para desenvolvimento

deste trabalho. Será abordado a parte de desenvolvimento do hardware, expondo os sensores

que foram utilizados para desenvolvimento do projeto, a placa controladora e todos os

dispositivos eletrônicos necessários. Também será apresentada a parte de desenvolvimento

do software, como as tecnologias empregadas, a linguagem de programação escolhida, os

frameworks, o banco de dados e outros.

2.1 Hardware

2.1.1 Plataforma de Computação Embarcada

2.1.1.1 BlackBoard UNO R3

A BlackBoard UNO R3, figura 5, é uma placa Arduino UNO similar, fabricada

pela RoboCore, projetada para ser um avanço das suas versões anteriores na categoria

básica, além de implementações e melhorias feitas pelos engenheiros da Robocore Brasil.

Ela possui acesso direto ao ATmega328 via conector para o chip FTDI(Future Technology

Devices International) ao lado do conector USB, ou seja, se por algum motivo o FTDI

parar de funcionar a placa não precisa ser descartada como ocorreria na placa UNO italiana,

assim permitindo a gravação na mesma placa externamente (ROBOCORE, 2018).

Figura 5 – Placa BlackBoard UNO R3 da Robocore Brasil

Fonte: Robocore (2018)

Outra implementação que trás benef́ıcios é a adição de um chip FTDI para realizar

a conversão do sinal do computador para o ATmega328. Este chip é mais robusto e confiável

que o microcontrolador usado na conversão de sinais usado na placa Arduino UNO. Esta

alteração acaba com os problemas de compatibilidade de driver da placa com os diversos

21

sistemas operacionais. Além disso, também possui alteração na localização dos LEDs de

comunicação (Tx - Transmissor x e Rx - Receptor x) que agora estão no canto da placa,

próximos ao botão de reset, para que seja posśıvel verificar com mais facilidade se existe

uma comunicação serial quando um shield é colocado sobre a placa (ROBOCORE, 2018).

A seguir temos as especificações técnicas obtidas em Robocore (2018).

• Dimensões: 68 x 53 x 10 mm

• Microcontrolador: ATmega328P

– Memória flash: 32 KB (dos quais 0,5 KB são usados pelo bootloader)

– Memória SRAM: 2 KB

– Memória EEPROM: 1 KB

– Frequência de clock: 16 MHz

– Protocolos de comunicação:

∗ UART(acrônimo de Universal Asynchrounous Receiver/Transmiter ou Re-ceptor/Transmissor Universal Asśıncrono)

∗ SPI(periférico de interface serial)∗ TWI(Two-Wire Interface) - (I2C - Inter-Integrated Circuit)

• Temperatura de operação: 10oC a 60oC

• Tensão de operação: 5 V

• Tensão de alimentação: 7 a 12 V (recomendada)

• 20 pinos de entrada/sáıda (I/O) digitais, dentre os quais:

– 6 entradas analógicas (A0 a A5)

– 6 sáıdas PWM (D3, D5, D6, D9, D10 e D11)

• Corrente máxima por pino I/O: 40 mA

• Corrente máxima no pino de 3,3 V: 200 mA

• Compat́ıvel com todos os shields feitos para Arduino UNO R3 (e versões anteriores)existentes

22

2.1.2 Sensores

2.1.2.1 Sensor de Presença/Movimento PIR

Um tipo de sensor utilizado no projeto é o sensor de presença/movimento PIR,

a sigla significa Passive Infrared Radiation, ou seja, sensor de radiação infravermelho. É

um sensor capaz de detectar a radiação infravermelho emitida por objetos. Ser passivo,

deve-se ao fato de não emitir algo para o meio, para realização de sua tarefa. Diante dessas

caracteŕısticas foi utilizado com a finalidade de detectar a passagem de uma pessoa a sua

frente. Na figura 6 temos algumas caracteŕısticas de funcionamento do PIR adotado.

Figura 6 – Funcionamento de um sensor PIR

Fonte: Keenan (2018)

O Sensor de Movimento PIR DYP-ME003, figura 7, consegue detectar o movimento

de objetos que estejam em uma área de até 7 metros. Caso algo ou alguém se movimente

nesta área o pino de alarme é ativado. É posśıvel ajustar a duração do tempo de espera

para estabilização do PIR através do potenciômetro amarelo em baixo do sensor, bem

como sua sensibilidade. A estabilização pode variar entre 5 à 200 segundos (FILIPEFLOP,

2018).

23

Figura 7 – Sensor PIR DYP-ME003 utilizado neste projeto

Fonte: FilipeFlop (2018)

Especificações Técnicas fornecidas:

• Modelo: DYP-ME003

• Sensor Infravermelho com controle na placa

• Sensibilidade e tempo ajustável

• Tensão de Operação: 4,5-20V

• Tensão Dados: 3,3V (Alto) – 0V (Baixo)

• Distância detectável: 3-7m (Ajustável)

• Tempo de Delay: 5-200seg (Default: 5seg)

• Tempo de Bloqueio: 2,5seg (Default)

• Trigger: (L)-Não Repet́ıvel (H)-Repet́ıvel (Default: H)

• Temperatura de Trabalho: -20 +80 graus Celsius

• Dimensões: 3,2 x 2,4 x 1,8cm

• Peso: 7g

2.1.2.2 Sensor de Obstáculo Infravermelho IR

O segundo sensor, figura 8, adotado neste projeto, é o sensor de obstáculo in-

fravermelho IR E18-D80NK, do tipo ativo. O modelo escolhido possui LED receptor e

emissor no mesmo conjunto. Ser ativo significa que o sensor interage com o ambiente para

24

realizar a detecção. A adoção desse modelo em especifico, o E18-D80NK, se deve aos seus

impressionantes 80cm de distância de detecção, em se tratando de um sensor infravermelho

do tipo ativo.

Figura 8 – Sensor Infravermelho utilizado neste projeto


Em seu funcionamento, figura 9, quando algum obstáculo é colocado em frente ao

sensor, o sinal infravermelho é refletido para o receptor. Quando isso acontece, o pino de

sáıda OUT é colocado em ńıvel baixo (0), e o led indicador vermelho que fica na parte

traseira é aceso, indicando que algum obstáculo foi detectado (FILIPEFLOP, 2018).

Figura 9 – Funcionamento básico de um sensor IR

Fonte: Forino (2016)

Especificações:

• Tensão de operação: 5V DC

• Emissor e receptor IR no mesmo conjunto

• Distância de detecção: 3 à 80 cm

• Potenciômetro para ajuste da distância

25

2.1.2.3 Sensor Ultrassônico

O terceiro sensor selecionado é o sensor Ultrassônico, que é muito utilizado na

medição de distância, mas também adotado na detecção de obstáculos. Este sensor é do

tipo ativo, interage com o ambiente enviando ondas ultrassônicas e recebendo a reflexão

das mesmas ao colidir com algum obstáculo, conforme figura 10. Tudo dentro de um ajuste

pré-definido.

Figura 10 – Funcionamento básico de um sensor ultrassônico

Fonte: Psomopoulos (2016)

Especificações:

• Alimentação: 5V DC

• Corrente de Operação: 2mA

• Ângulo de efeito: 15 graus

• Alcance.: 2cm à 4m

• Precisão.: 3mm

O modelo adotado se encontra na figura 11, a seguir.

Figura 11 – Sensor de Distância Ultrassônico HC-SR04 utilizado neste projeto


26

2.1.2.4 Módulo RTC

Na figura 12 tem-se o módulo RTC (conhecido também por Real time clock

ou relógio de tempo real) sendo baseado no chip DS1307 projetado especialmente para

contagem de tempo e suporta o protocolo I2C(Inter-Integrated Circuit) usado para conectar

dispositivos de baixa velocidade, a sistemas embarcados por exemplo. Ele usa uma bateria

de ĺıtio(modelo CR2032). O seu relógio/calendário fornece segundos, minutos, horas, dia,

mês e ano. O fim do mês é ajustado automaticamente para os meses com menos de 31

dias, incluindo correções para ano bissexto. O relógio opera no formato 24 ou 12 horas

com indicador de AM/PM (CASADAROBOTICA.COM, 2018).

Figura 12 – Módulo RTC DS1307

Fonte: casadarobotica.com (2018)

A utilização do RTC neste projeto permitiu obter a data e hora dos acionamentos

sensoriais. A partir dessas informações, a placa repassa os dados para o módulo buetooth

que encaminha para o servidor de banco de dados que se encontra instalado no computador

da coordenação da biblioteca universitária. Se o sistema embarcado sofrer ausência de

energia elétrica para alimenta-lo, não ocorre atrasos na data e hora, pois a bateria do

módulo entra em ação garantindo sempre hora e data certa.

2.1.2.5 Módulo Bluetooth

O módulo bluetooth HC-05 oferece uma forma fácil e barata de comunicação com

qualquer projeto feito com um Arduino ou similares embarcados. Em sua placa existe

um regulador de tensão e este pode ser alimentado com tensões entre 3.3 a 5V. Antes

da comunicação com o módulo, há a necessidade de pareá-lo com o dispositivo o qual

deseja-se conectar. Um LED indicará se o módulo está pareado com outro dispositivo. O

módulo usado neste projeto possui um alcance de até 10 metros, sendo assim é posśıvel

que um usuário monitore sensoriamentos que estejam no raio de cobertura (OLIVEIRA;

SANTOS; RODRIGUES, 2014).

Na figura 13 tem-se o HC-05. Em seu datasheet recomenda-se ńıvel lógico de 3.3V

no pino TXD, mas as placas baseadas em arduino como a blackboard trabalham com ńıvel

lógico de 5V, para contornar tal problema adotou-se um divisor de tensão, alcançando

assim o ńıvel lógico desejado.

27

Figura 13 – Módulo Bluetooh HC-05

Fonte: Oliveira, Santos e Rodrigues (2014)

2.2 Software

A seguir será abordado algumas tecnologias adotadas para desenvolvimento do

software do usuário final que compõe este projeto. Tais como, linguagem Python, framework

PyQT5, framework Pandas, banco de dados MySQL entre outras.

2.2.1 Linguagem Python

Python é uma linguagem extremamente poderosa, e o interesse por ela tem

aumentado muito nos últimos anos. A linguagem inclui diversas estruturas de alto ńıvel

(listas, dicionários, data/hora, números complexos e outras) e uma vasta coleção de

módulos prontos para uso, além de frameworks de terceiros que podem ser adicionados.

Também inclui recursos encontrados em outras linguagens modernas, tais como geradores,

introspecção, persistência, meta classes e unidades de teste. Multiparadigma, a linguagem

suporta programações modular e funcional, e orientação a objetos (BORGES, 2014).

Diante de todas essas caracteŕıstica, a linguagem Python foi escolhida, principal-

mente por possuir dois excelentes frameworks, o Pandas e o PyQT5. Frameworks estes

que foram bastante usados no desenvolvimento do software para usuário final, onde tem-se

recursos, métodos e estruturas de dados bastante usadas no projeto, facilitando a plotagem

gráficas e construção de interfaces gráficas.

2.2.2 Framework PyQt5 e PyQt5 Designer

O Qt é um conjunto de bibliotecas C ++ de plataforma cruzada que implementam

API’s de alto ńıvel para acessar muitos aspectos dos sistemas modernos de desktop e móveis.

Isso inclui serviços de localização e posicionamento, conectividade multimı́dia, NFC(Near

Field Communication) e Bluetooth, um navegador da Web baseado no Chromium, bem

como o desenvolvimento tradicional da interface do usuário (PYQT5, 2018).

O PyQt5 é um conjunto abrangente de ligações do Python para o Qt versão 5.

Ele é implementado com mais de 35 módulos de extensão e permite que o Python seja

28

usado como uma linguagem alternativa de desenvolvimento de aplicativos para o C ++

em todas as plataformas suportadas, incluindo iOS e Android (PYQT5, 2018).

PyQt é um framework bastante robusto voltado para desenvolvimento de aplicações

modelo desktop, com uma vasta disponibilização de componentes gráficos que levaram ele

a ser escolhido e adotado neste projeto; fato que contribui bastante para a redução da

probabilidade por falta de algum componente gráfico espećıfico que venha ser usado.

Também foi adotado o software PyQt5 Designer, conforme figura 14, com a

finalidade de ajudar na construção das interfaces gráficas. Ele foi desenvolvido com foco

de ser posśıvel desenhar uma GUI sem a necessidade de digitar código, tendo uma noção

imediata de como ficaria as janelas. Após tudo pronto, é posśıvel dar comando pelo terminal,

gerando todo o código Python em modelo classe.

Ressalta-se que o PyQT5 é um projeto herdado do original QT5 Open Source

para uso em C++.

Figura 14 – Sofware PyQt5 Designer

Fonte: ssj6 (2018)

2.2.3 Framework Pandas

Pandas é uma biblioteca open source, licenciada pelo BSD(Berkeley Software Dis-

tribution) que fornece estruturas de dados de alto desempenho, fáceis de usar e ferramentas

de análise de dados para a linguagem de programação Python (PANDAS.ORG, 2018).

A estrutura de dados do Pandas mais utilizada neste projeto foi a DataFrame,

que facilitou a extração de informações do banco de dados para plotagem de gráficos com

posterior uso do framework Matplotlib.

Pandas DataFrame é uma estrutura de dados rotulados em 2-D com colunas de

tipo potencialmente diferentes. Não é mais do que uma representação na memória RAM

de uma planilha do excel através da linguagem de programação Python (DASKSH, 2018).

29

2.2.4 Framework Matplotlib

O Matplotlib é uma biblioteca de plotagem de gráficos planos 2D em Python com

qualidade de publicação cient́ıfica em uma enorme variedade de formatos. O Matplotlib

pode ser usado em scripts Python, nos shells do Python e do IPython, no Jupyter notebook,

nos servidores de aplicativos da Web e em quatro kits de ferramentas de interface gráfica

do usuário (MATPLOTLIB.ORG, 2018).

Foi um dos frameworks mais usados na construção do software para usuário final,

possibilitando gerar histogramas que demonstram o comportamento dos acionamentos

dos sensores e também a geração de gráficos de barra para demonstrar a quantidade de

acionamentos diários.

2.2.5 Banco de Dados MySQL

O MySQL é um banco de dados relacional que utiliza o SQL como forma de

acessar e manipular dados armazenados. O MySQL é um sistema de banco de dados

robusto SQL, rápido, multi-tarefa, multi-usuário. O MySQL pode ser utilizado embutido

em um programa de uso em massa, com alta carga e missão cŕıtica. Este SGBD(Sistema

de Gerenciamento de Banco de Dados) pode ser usado para vários fins, como: uma simples

lista de compras, uma galeria de imagens ou uma grande quantidade de dados de uma

rede corporativa (CAMARGO, 2005).

Figura 15 – Caracteŕısticas do MySQL

Fonte: Carvalho (ano desconhecido)

Como pode-se observar na figura 15, o MySQL possui inúmeras caracteŕıstica

30

vantajosas, fazendo-o ser o Banco de Dados escolhido para o projeto. As funções para

gravação de dados de hora e data automático no banco em cada inserção, foi de grande

contribuição. Os drivers para conexão do MySQL e o uso dos métodos, no Python, se

mostraram de facilidade média na implementação.

2.3 Esquemas Eletrônicos do Protótipo

Nesta seção serão apresentados os esquemas eletrônicos que foram implantados

com uso dos devidos sensores, ultrassônico, infravermelho e PIR, já apresentados em seções

anteriores. Todas as informações de acionamento do sensor serão gravadas no banco de

dados MySQL através de comunicação Bluetooth. Esse foi escolhido devido a distância

entre o Sistema Embarcado e o computador com servidor de banco de dados rodando,

estarem dentro dos limites de cobertura do sinal e também por apresentar uma melhor

flexibilidade na implantação.

Na figura 16 tem-se o esquema eletrônico com uso do sensor de presença PIR.

Pode-se perceber a adoção de um par de sensor IR, proporcionando assim identificar se

uma pessoa está saindo ou entrando no ambiente, isto é, fluxo bidirecional.

Ainda na figura 16, nota-se que os dois sensores foram alimentados com a sáıda de

5V da BlackBoard na forma compartilhada, os pinos de sinal estão conectados nas entradas

digitais 4 e 5. Observa-se também dois módulos, um com papel de relógio e calendário, o

RTC DS1307 responsável por informar a hora e o dia do acionamento dos sensores, e o

módulo Bluetooth HC-05 responsável por realizar o envio das informações ao servidor de

banco de dados. Percebe-se que o HC-05 é alimentado com 5V, porém seu pino receptor

necessita apenas de 3,3V para funcionar, como a BlackBoard trabalha com ńıvel lógico de

5V foi necessário a adoção de um divisor de tensão para alcançar-se o recomendado pelo

fabricante.

Figura 16 – Esquema para sensor PIR

Fonte: Autor

31

Na figura 17 tem-se o esquema eletrônico com uso do sensor de obstáculo IR,

também conhecido como sensor ativo de radiação infravermelha. Este sensor também

possui três pinos, um para alimentação, um para GND e outro para o sinal. Neste caso

também foi adotado pares de sensor; as conexões ficaram: pinos de sinal nas entradas

digitais 4 e 5, e ambos alimentados com 5V. Os módulos RTC e HC-05 seguem as mesmas

ligações do protótipo anterior que utiliza sensor PIR.

Figura 17 – Esquema para sensor IR

Fonte: Autor

Na figura 18, o uso de pares de sensores do tipo Ultrassônico que são bastante

usados para detecção de distância, ou seja, é um sensor que pode trabalhar na forma

analógica, informando em qual distância se encontra um objeto. Mas para finalidade de

contagem de fluxo de pessoas, será tratado na forma digital. Então a ligação ficou: pino de

alimentação do sensor conectado a alimentação de 5V da BlackBoard, o pino TRIGGER

do sensor que é o responsável pela emissão de onda sonora para o meio, foi conectado a

uma entrada digital e o pino TRIGGER trabalhará constantemente em sinal alto (1). O

pino ECHO do sensor, responsável pela informação de recebimento da reflexão da onda,

caso ela incida em algum objeto; trabalhará em sinal baixo (0), em condição de espera, e

estando também conectados a entradas digitais da placa controladora.

32

Figura 18 – Esquema para sensor Ultrassônico

Fonte: Autor

2.4 Funcionamento Geral do Sistema

Em conceito de Engenharia de Software, o diagrama de caso de uso possui uma

descrição que mostra como o sistema e o ator vão interagir através de fluxos. O fluxo

principal descreve as interações normais (sem erros) entre o ator e o sistema. Tais diagramas

são usados para demonstrar as funcionalidades que o sistema a ser criado irá prover. Ele

também revela a forma como atores (pessoa ou outro sistema) interagem com o sistema

proposto. Casos de uso ajudam designers a ganhar uma visão coerente do produto (GOMES;

WANDERLEY, 2003).

Analisando o Diagrama de Caso de Uso do projeto proposto, figura 19, tem-se a

participação de dois atores, um que se chamou de pessoa, por ser o objeto que irá provocar

o acionamento dos sensores, um segundo que é o servidor/funcionário da biblioteca, que

será o participante do ambiente de validação do projeto.

33

Figura 19 – Diagrama de Caso de Uso do sistema de registro de fluxo

Fonte: Autor

Temos o sistema dividido em duas partes, Sistema Embarcado e Software desktop

para usuário final. Na parte do Sistema Embarcado, uma pessoa provoca o acionamento

dos pares de sensores, em seguida a placa controladora trata esses dados e executa a função

de gravação no banco de dados MySQL. Na parte de software, um funcionário da biblioteca

poderá acessar um sistema desktop feito em Python, instalado no computador do balcão

de atendimento. Através do sistema desktop, o funcionário poderá escolher entre visualizar

os dados de acionamento ou gerar gráficos.

Tanto o equipamento hardware, como o sistema desktop, acessam o mesmo servidor

de Banco de Dados, o MySQL. Isso é uma forma usada para se concentrar os dados em

um único local.

Na figura 20, tem-se dois modelos propostos. O modelo 2 foi proposto inicialmente,

mas se limita em não ser posśıvel avaliar se uma pessoa está entrando ou saindo do

estabelecimento, com este modelo podeŕıamos apenas ter a noção aproximada de quantas

pessoas frequentam, para isso o número total deveria ser divido por 2, já que uma pessoa

que entra irá sair, pois a biblioteca, local proposto para validação, possui apenas uma

porta, que é usada tanto para entrar como para sair, então o modelo dois foi descartado.

34

Figura 20 – Modelos propostos de configuração estratégica sensorial para registro de fluxo

Fonte: Autor

No modelo 1 foi adotado devido a lógica de funcionamento apresentar-se pertinente

ao projeto. A adoção de pares de sensor possibilita identificar se a pessoa está saindo ou

entrando. Por exemplo, se o sensor 1 for acionado primeiro e o sensor 2 após, temos uma

entrada; agora se o sensor 2 for acionado primeiro e sensor 1 após, temos uma sáıda. Dessa

forma, tem-se uma lógica que consegue permitir obter uma informação mais relevante ao

projeto.

2.5 Validação

O local de implantação e validação deste trabalho foi na Biblioteca Universitária

do Campus II da UNIFESSPA, conforme pode-se observar na figura 21. Atualmente ela

não possui um sistema de Registro de Fluxo de pessoas.

Consultou-se a coordenação da biblioteca sobre a possibilidade de um sistema de

registro de fluxo de pessoas, a partir disso, teve-se uma resposta positiva. Há na biblioteca

a necessidade de planejamentos internos, como por exemplo, foco em melhor atendimento

em horários de pico.

Figura 21 – Visão interna da biblioteca, vista por quem esta entrando

Fonte: Autor

35

A escolha da biblioteca do campus II da UNIFESSPA, trouxe a possibilidade

de uma coleta de dados realmente significativa, já que é um local bastante frequentado

pelos universitários da UNIFESSPA. A expectativa é que que se obtenha um número de

acionamentos relativamente alto, sendo posśıvel observar o comportamento do Sistema

Embarcado de forma geral, até mesmo de seu software desktop, com suas funções de

visualização e geração de gráficos.

Este cenário contribui com a possibilidade de testar os sensores propostos, PIR,

IR e ultrassônico em um ambiente real, onde se quer ter uma noção do fluxo de pessoas. A

partir disso, será avaliado, o conjunto de par de sensores e embarcados, por desempenho de

tempo do sensor no sistema, no caso, intervalo entre acionamento e volta ao estado inicial

de espera. O sensor que obteve em média o menor intervalo de tempo, foi considerado o

mais rápido.

Cada tipo de sensor foi submetido ao ambiente de validação por uma semana,

totalizando três semanas para todos os protótipos, considerando apenas dias úteis. Através

dos dados de entrada e sáıda, também é posśıvel realizar cálculos em relação as diferenças

de entradas e sáıdas que vem a ser registradas por cada protótipo, diante do tipo da

aplicação empregada, que é fluxo de pessoas. No caṕıtulo de resultados será abordado com

maior clareza as informações de desempenho e diferenças nos dados de entrada e sáıda.

36

3 RESULTADOS

3.1 Resultados do Hardware

3.1.1 Sistema Embarcado com Par de Sensores PIR

Na figura 22 tem-se o protótipo do Sistema Embarcado desenvolvido neste trabalho,

utilizando o sensor PIR. A comunicação com o banco de dados foi realizada por conexão

bluetooth proporcionada pelo módulo HC-05. O módulo RTC é responsável pela data e

hora de acionamento. Em cada novo acionamento que surge, o sistema envia e grava no

banco de dados presente no computador do coordenador da biblioteca.

Figura 22 – Sistema Embarcado com Par de Sensores PIR

Fonte: Autor

Os testes de acionamento com sensor PIR foram realizados no local de validação,

a biblioteca universitária do campus II da UNIFESSPA, durante uma semana, somente em

dias úteis, no caso de segunda-feira à sexta-feira, mais especificamente nos dias, 13/05/2019,

14/05/2019, 16/05/2019 e 17/05/2019.

Ao passar uma pessoa na frente do par de sensores, o PIR envia um sinal alto

para a placa controladora BlackBoard, que então trata essa informação de acordo com a

programação do firmware, dando destino ao banco de dados, onde armazena-se em uma

tabela. Na tabela do banco de dados MySQL encontra-se campos destinado a data, hora

e o tipo de acionamento(entrada ou sáıda), e um campo privado contendo o tempo de

desempenho do sensor, que é o intervalo de tempo entre o sensor ser ativado e voltar ao

estado de espera para um novo acionamento, este campo é destinado apenas a usuários

avançados, e seu objetivo final é apenas para obter uma média do tempo, podendo comparar

com os outros sensores, mostrando qual foi o melhor.

Quando a BlackBoard recebe o sinal de que o sensor foi acionado, ou seja, que o

37

sinal é alto, ela identifica se o acionamento foi de entrada ou sáıda, após isso o módulo

RTC é consultado para saber o horário e data, em seguida as informações são repassadas

ao módulo bluetooth que envia para o computador que contém o servidor de banco de

dados MySQL.

Na figura 23 observa-se a vista de entrada da biblioteca, no caso seu corredor.

Como pode-se notar, ao lado esquerdo, tem-se instalado o hardware contendo o par de PIR.

Menciona-se que existe apenas este local para acesso a biblioteca, garantindo entradas e

sáıdas de pessoas neste corredor. Isso foi importante na coleta de dados de sensoriamento

que mensuram o fluxo de pessoas e os parâmetros pesquisados neste trabalho.

Figura 23 – Vista do local onde foi instalado o sistema embarcado contendo sensor PIR

Fonte: Autor

3.1.2 Sistema Embarcado com Par de Sensores Ultrassônicos

Na figura 24 temos o sistema embarcado que adotou pares de sensores ultrassônicos

para registro de fluxo de pessoas. Pode-se observar que este tipo de sensor trabalha com

quatro pinos, como foi mencionado no caṕıtulo anterior. Os módulos RTC e HC-05

estiveram presentes novamente, com a mesma finalidade do sistema embarcado anterior.

38

Figura 24 – Sistema Embarcado com sensores Ultrassônicos

Fonte: Autor

A lógica para detectar se uma pessoa passou na frente do par de sensores ultras-

sônico é diferente dos demais. Este sensor é mais usado em medições de distância e se

aproveitando dessa caracteŕıstica foi posśıvel detectar a passagem de uma pessoa. Ao iniciar

o sistema embarcado pela primeira vez, automaticamente realiza-se uma calibração, nesse

caso ele vai fornecer a largura do corredor da biblioteca, então esse valor é armazenado

para comparações futuras. De posse desse valor, toda vez que os pares de sensor detectarem

uma distância menor que a do corredor, uma pessoa passou, sendo assim, essa informação

é interpretada pelo sistema embarcado como acionamento.

Em relação a avaliação, se a passagem for de entrada ou sáıda, a lógica continua a

mesma. Se o sensor 1 for acionado primeiro que o sensor 2 é entrada, sensor 2 acionado

primeiro que o sensor 1 é sáıda. Na Figura 25 tem-se a vista da instalação do sistema

embarcado que adotou o sensor Ultrassônico como registrador de fluxo. A obtenção de

data e hora continua a mesma com o módulo RTC e a comunicação bluetooth também

com o módulo HC-05.

39

Figura 25 – Vista da instalação do sistema embarcado contendo sensor Ultrassônico

Fonte: Autor

3.1.3 Sistema Embarcado com Par de Sensores IR

Na figura 26 tem-se o sistem embarcado em que adota-se pares de sensores IR

para registro de fluxo de pessoas. Como pode-se notar a única coisa que muda em relação

ao sistema que adotou o PIR é o uso de um novo tipo de sensor. Dispositivos como módulo

RTC e HC-05 continuam o mesmo.

O sensor IR tem uma peculiaridade diferenciada em relação ao PIR. O IR adota

ńıvel lógico baixo quando acionado. Já o PIR como mencionado anteriormente, adota ńıvel

lógico alto quando acionado.

Figura 26 – Visão interna do embarcado que adotou o sensor IR

Fonte: Autor

Na figura 27 tem-se a visão de como e onde foi instalado o modelo contendo IR.

Sendo o local o mesmo dos demais testados. A forma da instalação se mantém a mesma.

40

Ainda na figura observa-se, fixado a parede com alimentação de uma fonte que foi ligada a

uma extensão elétrica.

Figura 27 – Vista da instalação do sistema embarcado contendo sensor IR

Fonte: Autor

Na figura 28, pode-se observar do lado direito a fixação de um anteparo preto, que

foi utilizado com finalidade de se contornar uma problemática envolvendo a reflexão do

infravermelho, promovendo acionamento falso do sensor IR.

Figura 28 – Anteparo preto, resolvendo a problemática de reflexão do infravermelho

Fonte: Autor

3.2 Resultados do Software pra Usuário Final

Na figura 29 ilustra-se a versão 1.0 do sistema desktop para o usuário final. Nota-se

que é uma interface feita com o framework PyQt5. As funções foram organizadas em

menus; tem-se a opção Dados dos Sensores, que se leva a primeira função de Visualizar

Acionamentos do Sensor. Em seguida encontra-se a opção Gerar Gráfico de Acionamentos,

41

dentro tem-se a geração de gráficos dividida em, Por Peŕıodo de Datas e Por Horários de

um Dia. O sistema foi “batizado” com o nome de 2S, que significa Sistema de Sensores.

Antes de chegar a versão atual, passou-se por versões betas desenvolvidas. O software foi

avaliado de forma positiva pelos servidores da biblioteca, a versão final é apresentada na

figura 29.

Figura 29 – Janela principal do software de usuário final

Fonte: Autor

Na figura 30 tem-se a janela responsável por apresentar ao usuário os dados

referentes aos acionamentos do sensor. Nela encontra-se o componente gráfico do tipo

tabela, que é responsável por carregar a tabela do banco de dados. Nota-se as colunas

de ID, que é o identificador importante na realização de relacionamentos entre entidades

em ńıvel de banco de dados SQL; a segunda coluna informa o horário que o acionamento

ocorreu; a terceira informa a data e a quarta e última coluna informa o tipo de movimento.

Pode-se notar que o sistema informa se o movimento é de entrada ou sáıda. A janela

também conta com um botão na parte inferior para atualizações dos dados, ou seja, ao ser

pressionado, recarrega a tabela, mostrando dados novos, caso tenha.

42

Figura 30 – Janela de visualização de registros, do software de usuário final

Fonte: Autor

A terceira janela se encontra na figura 31, nela o usuário poderá configurar um

peŕıodo de datas para geração de gráfico do tipo barra. No intuito de facilitar ao usuário,

optou-se por usar os componentes gráficos destinados a datas, do tipo calendário, ao invés

de campos para digitação de texto. O usuário configura as datas e clica em gerar gráficos,

caso ele insira um peŕıodo que não possui registro de acionamentos, o sistema informa um

alerta e o usuário deverá tentar novamente.

Figura 31 – Janela para gerar gráficos, por peŕıodo de dias

Fonte: Autor

43

Na figura 32 tem-se a geração do gráfico de barras para peŕıodo de dias. Tal

funcionalidade foi posśıvel com adoção do Framework Matplotlib. Pode-se notar as datas no

eixo da abcissas e a quantidade de acionamentos no eixo das ordenadas. Na parte superior,

há alguns botões essenciais, onde o usuário poderá salvar em formato de imagem o gráfico

gerado.

Figura 32 – Gráfico gerado por peŕıodo de dias

Fonte: Autor

Os dados apresentados na figura 32 são referentes as três semanas de testes que o

sistema embarcado ficou operando, a cada semana um tipo de sensor foi testado. Dessa

forma, tem-se treze dias úteis de testes. Nota-se que na mesma janela é apresentado

ao usuário final tanto o gráfico de sáıda como o de entrada, o que facilita em eventual

comparação entre os fluxos de entradas e sáıdas registrados. As barras do intervalo do dia

29/04/19 ao 03/05/19 excluindo o dia 01/05/19 feriado do dia do trabalho, foram do par

de sensores Ultrassônicos. As barras do intervalo 13/05/19 ao 17/05/19 excluindo-se o dia

15/05/19 refere-se ao dia em que a biblioteca não funcionou, foram os dias de testes do

par de sensores PIR. E as barras do intervalo 20/05/19 ao 24/05/2019 se testou o par de

sensores IR.

Na figura 33 observa-se a janela responsável por gerar gráficos por horários de

um dia. Nela o usuário configura uma data espećıfica e clica no botão gerar gráficos. Em

seguida será exibido gráficos por horários de um dia, o que dará ao usuário a possibilidade

de observar horários de maior e menor registro de fluxo de pessoas. Caso insira uma data

que não há acionamentos registrados, o sistema informa uma alerta e o usuário deverá

inserir uma nova data.

44

Figura 33 – Janela para gerar gráficos, por horários de um dia

Fonte: Autor

Na figura 34 encontra-se os gráficos gerados por horários de um dia. Os horários

são informados no eixo das abcissas, e no eixo das ordenadas são informados as quantidades

de acionamentos em um certo intervalo de tempo. O dia escolhido para gerar esses gráficos

foi o dia 20/05/19. Neste caso, os gráficos são um histograma, que leva em consideração

frequências por intervalos. Também é posśıvel salvar o gráfico em algum formato de imagem

com uso dos botões que se encontram na parte superior da janela.

Figura 34 – Gráfico gerado por horários de um dia

Fonte: Autor

Fazendo uma análise do gráfico, pode-se notar que horários de maior registro são

os referentes a abertura da biblioteca, chegada e sáıda para almoço e final da tarde.

45

É importante ressaltar que este trabalho não realiza uma pesquisa de como a

biblioteca é frequentada, mas fornece uma ferramenta para que a coordenação da biblioteca

possa tirar suas próprias conclusões diante dos dados apresentados.

Tendo-se como objetivo uma ferramenta amigável e eficiente em seus dados,

colocou-se o sistema embarcado em testes, com diferentes sensores, no caso os propostos,

ultrassônico, infravermelho e PIR. Diante dos dados armazenados em banco de dados

deu-se a possibilidade de se analisar qual tipo de par de sensores é o mais indicado para o

caso de registro de fluxo de pessoas em um ambiente de biblioteca.

3.3 Tempo de Desempenho

O que chama-se de tempo de desempenho no trabalho abordado, é o intervalo

de tempo em que o sensor leva entre seu acionamento e sua volta ao estado de espera,

levando em consideração todo o conjunto sensor e sistema embarcado.

Quando cada acionamento ocorria, o sistema embarcado tinha a tarefa de mandar

para o banco de dados o intervalo de tempo referente ao tempo de desempenho, e o

armazenando em uma tabela. Tal dado como mencionado anteriormente estava dispońıvel

apenas ao pesquisador.

Diante da coleta do tempo de desempenho e com ele disposto em banco de dados,

foi posśıvel aplicar os conhecimentos referente a área de banco de dados do tipo SQL,

podendo-se tirar média aritmética dos valores.

No peŕıodo de testes foi registrado 7570 acionamentos, incluindo entradas e

sáıda, para todos os sensores testados.

Aplicando comando SQL(Structured Query Language, ou Linguagem de Consulta

Estruturada) direcionados ao peŕıodo de data referente a cada sensor estudado, pode-se

obter o tempo de desempenho médio do sensor. No caso do ultrassônico foi de 52,67ms.

Para o sensor PIR, o tempo de desempenho médio foi de 1839,018ms. Para o sensor IR

o tempo de desempenho médio foi de 365,939ms.

3.4 Diferença Entre Entradas e Sáıdas

Durante todos os dias de testes em que os pares de sensores Ultrassônico, PIR e

IR foram submetidos, foi posśıvel o acúmulo de uma grande base de dados. Ao analisar

especificamente os dados de entrada e sáıda, pode-se notar alguns momentos de altas e

leves discrepâncias ao se realizar a diferença entre o maior e menor valor registrado entre

entradas e sáıdas.

Dessa forma, foi pego o valor de entrada e subtráıdo por um valor de sáıda,

obedecendo a ordem dos valores, isto é, primeiro o maior valor e depois o menor. Em

46

seguida comparou-se o quanto esse valor da diferença representa em relação ao maior

valor, dividindo a diferença pelo maior valor. Esse comportamento pode ser expresso pela

equação 1.

Diferença% =(MaiorV alor −MenorV alor)

MaiorV alor.100 (1)

Para o sistema contendo o par de sensores Ultrassônicos, a diferença de entradas

de sáıdas foi de 0,482 ou 48,80% em relação ao maior valor para o dia 29/04/2019. Para o

dia 30/04/2019 teve-se um valor de 63,80%. No dia 02/05/2019 teve-se 54,90%. E para o

dia 03/05/2019 obteve-se um valor de 42,70%. Na figura 35, tem-se a construção de um

gráfico onde pode-se visualizar melhor os dados calculados.

Figura 35 – Gráfico da diferença entre entradas e sáıdas para o sistema embarcado contendosensor Ultrassônico

Fonte: Autor

Pode-se notar grandes oscilações nas diferenças de entradas e sáıdas registadas no

peŕıodo de testes do sistema embarcado contendo sensor ultrassônico. Em alguns momentos

chegou atingir valores considerados bastante altos como de 63,80%. Também a linha do

gráfico ficou bem afastada em relação a origem, o que demostra diferenças altas entre

entradas e sáıdas.

O alto percentual em relação a diferença de entrada e sáıda, foi devido as ondas

ultrassônicas serem absorvidas por alguns tipos de tecidos, ou seja, dependendo da roupa

da pessoa que passasse, poderia não haver o acionamento do sensor. Isso demostrou que o

sensor ultrassônico não é indicado para o caso.

Os cálculos realizados para o sistema que adotou sensor PIR, tem-se dia 13/05/2019

com 3,60%, para o dia 14/05/2019 foi de 7,30%, para o dia 16/05/2019 tem-se 3,20% e

47

para o dia 17/05/2019 tem-se o valor de 0,90%. A figura 36 exibe os valores obtidos com

sensor PIR.

Figura 36 – Gráfico da diferença entre entradas e sáıdas para o sistema embarcado contendosensor PIR

Fonte: Autor

No caso do sensor PIR, tem-se um comportamento com as diferenças se apre-

sentando mais baixas. O gráfico se aproxima bastante de uma linha reta, com suaves

oscilações, e bastante próxima da origem cartesiana. Mostrando que este sistema carrega

menores diferenças entre entradas e sáıdas. O que é o mais ideal para aplicação de registro

de fluxo de pessoas, trazendo menas discrepâncias.

Para o caso do sensor IR, os cálculos ficaram da seguinte forma: para o dia

20/05/2019 tem-se 21,10%. No dia 21/05/2019 o valor foi de 77,70%. Dia 22/05/2019

obteve-se 26,10%. Para o dia 23/05/2019 obteve-se o valor de 37,50%. E para o dia

24/05/2019 tem-se um valor de 13,70%. A figura 37 ilustra os dados graficamente.

48

Figura 37 – Gráfico da diferença entre entradas e sáıdas para o sistema embarcado contendosensor IR

Fonte: Autor

Nota-se graficamente que em se tratando de instabilidade, o sistema com IR

demostrou altos picos como o de 77,70%, além de se observar altas oscilação no peŕıodo

de testes, contando ainda com um grande afastamento do gráfico em relação a origem

cartesiana em diversos momentos, o que representa altas diferenças entre entradas e sáıdas.

As altas diferenças de entradas e sáıdas observadas pelo sistema que adotou o

IR pode ser justificada devido pessoas com roupas escuras não promovem acionamento

do sensor, pois o infravermelho é absorvido. Demonstrando - se também que este tipo de

sensor não é ideal para o caso de registro de fluxo de pessoas.

Diante dos resultados apresentados, o sensor PIR é o que melhor se enquadra

especificamente para o caso de registro de fluxo de pessoas em ambientes bibliotecários.

Ele não é o mais rápido, como se pode notar em sua média de tempo de desempenho, mas

sim o mais lento entre os testados e ele também proporciona a menor diferença entre os

dados de entrada e sáıda.

49

4 CONCLUSÃO

Foram realizados três testes com o sistema embarcado, um com par de sensor

ultrassônico, um com par de sensor PIR e outro com sensores IR. Todos foram submetidos

ao ambiente de validação proposto, a biblioteca do Campus II da UNIFESSPA. Além do

software de usuário final também ter sido submetido aos testes.

Várias problemáticas foram enfrentadas, dentre elas, acionamentos falsos do sensor

IR, que foi resolvido com adição de um anteparo preto a parede oposta, resolvendo-se a

reflexão do infravermelho.

Também foi observado que o sistema com ultrassônico em inúmeros momentos

não registrava a passagem de uma pessoa. Uma busca para entender este fato diante dos

resultados foi tomada. Encontrou-se base na F́ısica que informou que alguns tipos de

tecidos/roupas são responsáveis pela absorção de ondas ultrassônicas.

No trabalho é mostrada a baixa eficiente dos sensores Ultrassônicos e IR no caso

aplicado. Uma discrepância que em porcentagem mostrou-se claramente que estes sensores

não produzem resultados relevantes para registro de fluxo de pessoas especificamente.

O sensor ultrassônico mostra-se através dos resultados ser mais rápido que o sensor

PIR e sendo o que não produzia maior fidelidade nos dados visualizados percentualmente.

Já o PIR foi o mais lento de todos em se tratando do tempo de desempenho avaliado, foi o

que apresentou menores diferenças entre entradas e sáıdas percentualmente. Conclui-se

então que o sensor PIR, foi o tipo de sensor que se enquadra de forma mais ideal para um

caso de registro de fluxo de pessoas em um ambiente de biblioteca.

Já o software foi avaliado pelos funcionários/servidores que não tiveram dificuldade

no manuseio. Com destaque na possibilidade de se salvar no formado de imagem os gráficos

gerados, o que é de grande importância para se fazer relatórios que são enviados a Reitoria

e ao Ministério da Educação.

Para trabalhos futuros, a adoção do Sistema Embarcado conectado diretamente a

rede cabeada da universidade, proporcionaria a concentração dos dados no data-center da

UNIFESSPA Marabá-PA. Diante disso, em ńıvel de hardware, o módulo bluetooth deveria

ser substitúıdo por um módulo ethernet e o código fonte do software de usuário deveria

sofrer alterações na parte referente a conexão com banco de dados adicionando o endereço

IP do servidor MySQL do data-center.

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REFERÊNCIAS

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Folha de RostoFolha de AprovaçãoDedicatóriaEpígrafeLISTA DE ILUSTRAÇÕESLISTA DE ABREVIATURAS E SIGLASINTRODUÇÃOObjetivosObjetivos GeralObjetivos Específicos

JustificativaTrabalhos CorrelatosOrganização do Trabalho

METODOLOGIAHardwarePlataforma de Computação EmbarcadaBlackBoard UNO R3

SensoresSensor de Presença/Movimento PIRSensor de Obstáculo Infravermelho IRSensor UltrassônicoMódulo RTCMódulo Bluetooth

SoftwareLinguagem PythonFramework PyQt5 e PyQt5 DesignerFramework PandasFramework MatplotlibBanco de Dados MySQL

Esquemas Eletrônicos do ProtótipoFuncionamento Geral do SistemaValidação

RESULTADOSResultados do HardwareSistema Embarcado com Par de Sensores PIRSistema Embarcado com Par de Sensores UltrassônicosSistema Embarcado com Par de Sensores IR

Resultados do Software pra Usuário FinalTempo de DesempenhoDiferença Entre Entradas e Saídas

CONCLUSÃOREFERÊNCIAS

trabalho de conclus~ao de curso um sistema embarcado … · 2020. 1. 14. · resumo este trabalho...

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